structure design and chemical milling of net-shaped strengthened cylindrical shell
li yalixu jun
（beijing general research institute for non-ferrous metals100088）
abstract：in order to improve the strength of the cylindri cal shell used in deep water and decrease its weight, the net-shaped structure made by chemical milling is proposed. some useful processing parameters are conc luded by experiments.in result,the net-shaped stiffened lf6 cylindrical shells are manufactured meeting the design requirement of structural strength.
key words：chemical milling,optimum design of net shape, l f6 aluminium alloy
深水构件用筒体要求具有质量轻、耐压强度大、耐海水腐蚀等特点。目前这种构件通常采用将钢板、铝板卷焊成圆筒，再在内壁焊接环筋的方法来制作筒体。用这种方法制成的筒体，尺寸精度低，整体耐压一致性差。为了解决这一问题，本文提出采用无缝圆筒，加工其内壁成网格筋，形成整体结构。这种结 构在满足使用条件下可明显改善上述制作方法带来的不足。但是这种内壁网格结构，若采用 机械铣切进行加工，不仅成本高，生产效率低，而且还会产生切削应力；而采用化学铣切工 艺进行加工，则可以克服机械铣切的不足。
一般化铣加工的工件是开放式的平板结构。化铣深度在8 mm以内［1］。主要工艺参 数(如化铣溶液成分、化铣温度和腐蚀系数等)容易控制，并能获得较高的尺寸精度。超过8 mm深度的化铣，工艺参数和化铣精度均难以控制。因此，有关筒体内壁网格，网格深度达11 mm(即化铣深度为11 mm)，采用化铣加工，还很少见，也未见到有关的技术资料和文献。外径380 mm，总长1 100 mm的lf6铝合金筒体，要求其承压能力为4.5mpa，单位长度重量不 超过20 kg/m。为此，研究了其可能性，并对筒体网格结构进行了设计计算和对采用化铣加 工深达11 mm网格的方法和有关工艺参数进行了研究。
圆筒壳内壁网格结构的设计
1. 设计原理
内壁为网格的整体圆筒壳是既要增加强度又要减轻重量的结构中常用的构造形式，对于轴压、弯矩和外压等载荷，结构效率比光圆筒壳高。常用的网格结构有正置正交网格结构和斜置对称方格两种。根据小挠度线性理论，承受轴压的对称网格筋圆筒，筋条与母线之间的夹角以±45°和0°+90°两种最好［2］。考虑到化铣工艺和使用条件，选择正置正交网 格结构，如图1所示。
由于筒体受到水压的作用，计算时将水压分解为轴压和侧压，并采用轴压和侧压 联合作用下的线性相关方程，见式(1)。
(1)
式中：plj——筒体在单独侧压作用下的临界载荷;
tlj——筒体在单独轴压作用下的临界载荷;
p——筒体承受的侧压；
t——筒体承受的轴压。
图1 正置正交网格加劲圆筒体结构
2. 计算结果
筒体内壁网格筋采取分段加大筋的结构，总体分为3段网格筋，每段网格筋之间有1条宽的环筋(图1上未画出)。通过编程计算进行优化设计，得到的筒体网格结构参数见表1。
表1 优化后的网格结构参数
外径
(mm) | 总长
(mm) | 总厚h
(mm) | 分段长
(mm) | 蒙皮厚ts
( mm) | 小环筋宽
tw(mm) | | φ380 | 1100 | 15 | 367 | 4 | 5 | 大环筋宽
(mm) | 纵筋宽
(mm) | 环筋间距
by(mm) | 纵筋间距
bx(mm) | 单位长度重
量(kg/m) | 理论承压能
力 (mpa) | | 15 | 5 | 73.4 | 127.3 | 19.6 | 4.6 |
化铣工艺
化铣所用圆筒尺寸：φ外380mm×15.5mm×1 100 mm。化学铣切的工艺流程为［3］：表面预处理→涂胶→固化→刻型→化铣→除胶→成品检验。筒体内壁化铣与平板结构化铣相比较，具有一定的难度。主要是筒体内部的化铣溶液流动性 差，造成筒体两端与筒体中部具有不同的化铣工艺参数，严重地影响了化铣筒体整体尺寸的 一致性。
国内大型的化铣槽中没有溶液循环设备，受此限制，只能通过调整工件在化铣液中的运动状态来改善化铣的均匀性，尽可能达到满意的结果。此外，根据强度计算，在相同重量的条件下，网格筋条的高宽比越大，其承压能力也越强。但从工艺考虑，筋条高宽比的增大相应地增加了工艺控制的难度，例如对腐蚀系数的估计。腐蚀系数(或称浸蚀比)是化铣过程中一 个重要的工艺参数，它随着化铣深度和筒体网格结构的不同而变化［1］。因此，腐 蚀系数的变化直接影响化铣产品的尺寸精度。 |
图2 加工出的φ380mm
网格整体加筋铝圆筒
此外，为了提高筒体强重比（即筒体能承受的水压强度与筒体重量的比），筒体结构设计选用网格筋条高度为11 mm(即网格深度)，超过了常规化铣8 mm的深度。为了达到这一结构尺寸，必须很好地控制化铣工艺参数。经反复实验得到以下主要技术参数：
表面预处理采用：碱洗+水清洗；涂胶采用：sbq-1型胶，胶厚为0.2～0.3 mm；刻型时的样板采用1mm厚的硬铝板，浸蚀比为1.0左右；化铣溶液主要成分：naoh(70～110g/l)；al(40～60g/l)；加热温度：70～90℃；腐蚀速度：0.015～0.025mm/min。
加工结果讨论
铝合金lf6圆筒经化铣后的筒体如图2，实测 结果如下：外径(d)：φ380mm；总厚(h):15 mm；蒙皮厚(ts)：3.8±0.2mm; 小环筋宽(tw):6.6±1.0mm；大环筋宽：16.2±0.2mm；纵筋宽：4.6±0.2 mm； 单位长度重量：19.9 kg/m。可见，化铣后筒体的尺寸精度基本上满足了设 计要求。
一般化铣尺寸精度偏差在0.5～1mm之间，但随化铣深度的增加，偏差也增大。试验中，小环筋宽的误差较大，筒体端部的小环筋宽偏大，向筒体中间，小环筋宽逐渐变窄。这主要是由于溶液在筒体内部流动不够均匀，且浸蚀过程是1个放热反应，筒体中部温度高，反应剧烈，蚀除尺寸相对要多，因此，加工出的筒体内壁中部的小环筋宽逐渐变窄。这可以通过改进装卡方式，进一步提高化铣筒体内壁网格筋的尺寸精度。
将实测的上述结构尺寸代入公式，计算得到的该圆筒体最大承压能力为4.9 mpa，单位长度重量小于20kg/m；又将该筒体进行常规性破坏载荷实验，测得的承压能力为5.1 mpa，这与理论计算值接近。说明理论计算过程是合理可行的。
结 语
1. 以上研究表明，内壁为网格筋结构的铝合金lf6圆筒的强度计算结果与实验结果基本吻合；
2. 采用的化学铣切工艺可以加工出筒体内壁大深度网格筋，且尺寸精度基本符合设计要求；
3. 整体圆筒内壁采用大深度网格结构设计，并采用化学铣切方法进行加工，可以制造出满足耐压4.5mpa、单位长度重量小于20kg/m的lf6铝合金筒体。
李亚丽（北京有色金属研究总院 100088）
徐骏（北京有色金属研究总院 100088）
参考文献
1，粟祜.化学铣切.国防工业出版社，1984
2，张骏华等. 导弹结构强度计算手册.国防工业出版社，1978
3，刘晋春. 特种加工.机械工业出版社，1986 |
